The Investigation of Production Properties of Geopolymer Mortars Incorporated Ceramic Sanitaryware Wastes Subjected to Ambient Curing Conditions

Abstract

In this study, geopolymer mortars were produced by activating with sodium silicate the waste powders obtained by grinding the defective products during the production of ceramic sanitaryware with 10, 20, 30, 40, 50% by weight displacement with metakaolin. The effects of the addition of metakaolin (MK) instead of ceramic sanitaryware wastes (SGA) and curing time of ambient curing were investigated on the physical and mechanical properties of produced mortars. For this purpose, the liquid / binder ratio is 0.50, sand / binder ratio is 3 and sodium silicate is used at 10% Na2O ratio in mortars. The produced mortar mixtures were kept in the laboratory at 23 ± 2 ° C until hardened in the mold. Workability, unit weight, water absorption and void ratio, flexural and compressive strength tests were applied to the samples. Adding MK instead of SGA does not have a positive effect on water absorption, void ratio and compressive strength properties, but it has improved workability and flexural strength. The water absorption and void ratio of the samples containing high ceramic sanitaryware wastes was low and the compressive strength was higher than other samples. In addition, as the curing time increased, the flexural and compressive strength of the mortars increased at different rates. While the highest compressive strength was obtained as 21.4 MPa for sample with 100% SGA, the highest flexural strength was obtained as 8 MPa for sample containing 20% MK in 56-day. In terms of compressive strength, water absorption, void ratio, environmental and economic conditions, it has been determined that geopolymers based on ceramic sanitaryware wastes can improve their geopolymer properties under air curing conditions.

Keywords

• sanitaryware
• geopolymer
• mortar
• mechanical properties

Seramik Sağlık Gereci Atığı Esaslı Geopolimer Harçların Ortam Küründe Üretim Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, seramik sağlık gereciüretimi esnasında ortaya çıkan hatalı ürünlerin öğütülmesi ile elde edilen atık tozlarınmetakaolen ile %10, 20, 30, 40, 50 oranlarında ağırlıkça yer değişimi ilesodyum silikat ile aktiveedilerek geopolimer harçlar üretilmiştir. Üretilen harçlarda seramik sağlık gereci atıkları (SGA) yerine metakaolen (MK) ilavesinin ve ortam küründe kür süresininfiziksel ve mekanik özelliklere etkisi incelenmiştir. Bu amaçla harçlarda sıvı/bağlayıcı oranı 0,50, kum/bağlayıcı oranı 3 ve sodyum silikat ise %10 Na2O oranında kullanılmıştır. Üretilen harç karışımları,23±2°C’de laboratuvar ortamındakalıpta sertleşinceye kadar bekletilmiştir. Numunelere yayılma çapı, birim ağırlık, su emme ve boşluk oranı, eğilme ve basınç dayanımı deneyleri uygulanmıştır. SGA yerine MK ilavesi su emme, boşluk oranı ve basınç dayanımı özelliklerine olumlu etkisi olmamakta ancak yayılma çapı ve eğilme dayanımını iyileştirmiştir. Seramik sağlık gereci atıklarının yüksek olduğu numunelerde isesu emme ve boşluk oranı düşük, basınç dayanımları yüksek çıkmıştır. Ayrıca, kür süresi arttıkça harçların eğilme ve basınç dayanımları farklı oranlarda artmıştır. En yüksek basınç dayanımı 21,4 MPa ile %100 SGA ile elde edilirken en yüksek Eğilme dayanımı 8 MPa ile %20 MK içeren 56 günlük numunelerde elde edilmiştir. Basınç dayanımı, su emme, boşluk oranı, çevresel ve ekonomik koşullar açısından seramik sağlık gereci atıkları esaslı geopolimerlerin havada kür koşullarında geopolimer özelliklerinin gelişebileceği tespit edilmiştir.

Keywords

• Seramik Sağlık Gereci
• geopolimer
• harç
• mekanik özellikler

References

1. [1] Sun Q.,Zhu H., Li H., Zhu H., Gao M., “Application of responcesurfacemethodology in theoptimization of flyash geopolymer concrete”, RomanianJournal of Materials, 2018, 48(1): 45-52.
2. [2] Ibrahim A.K., Al-Kerttani O., Abbas S.R., “ Properties of geopolymer mortarsubjectedtohightemperature”, KeyEngineeringMaterials, 2020, 858: 193-198.
3. [3] Singh B.,Ishwarya G., Gupta M., Bhattacharyya S.K., “Geopolymer concrete: a review of somerecentdevelopments”, Construction andBuildingMaterials, 2015, 85: 78-90
4. [4] Boum R.B.E.,Kaze C.R., Nemaleu J.G.D., Djaoyang V.B., Rachel N.Y., Ninla P.L., Owono F.M., Kamseu E., “ Thermalbehaviour of metakaolin-bauxiteblends geopolymer: microstructureandmechanicalproperties”, SN AppliedSciences, 2020, 2: 1358.
5. [5] Bingöl Ş., Bilim C., Atiş C.D., Durak U., İlkentapar S., Karahan O., “An investigation of resistance of sodium meta silicateactivatedslagmortartoacidicandbasicmediums”, Revista de la Construction, 2020, 19(1): 128-133.
6. [6] Rakhimova N.R., “A review of calcinedclaysandceramicwastes as sourcesfor alkali-activatedmaterials”, GeosystemEngineering, 2020, 23(5): 287-298)
7. [7] Mwiti M. J.,Karanja T. J., Muthengia W. J., “ Thermalresistivity of chemicallyactivatedcalcinedclaysbasedcements”. RILEM Bookseries, 2018, 16: 327–333
8. [8] Vickers L., Van Riessen A., Rickard W. D. A. “Precursorsandadditivesfor geopolymer synthesis”. In L. Vickers, A. vanRiessen, & W. D. A. Rickard (Eds.), Fireresistantgeopolymers - Role of fibresandfillerstoenhancethermalproperties, 2015, (pp. 17–37), Springer.

9. [9] Zhang H.Y.,Kodur V., Wu B., Cao L., Wang F., “Thermalbehaviorandmechanicalproperties of geopolymer mortarafterexposuretoelevatedtemperatures”, Construction andBuildingMaterials, 2016, 109: 17-24.
10. [10] Palomo A., Blanco-Varela M.T., Granizo M.L., Puertas F., Vazquez T., Grutzeck M.W.,“Chemicalstability of cementitiousmaterialsbased on metakaolin”. CementandConcreteResearch, 1999, 29(7): 997–1004.
11. [11] Lancellotti I.,Catauro M., Ponzoni C., Bollino F., Leonelli C., “Inorganicpolymersfrom alkali activation of metakaolin: effect of settingandcuring on structure”, Journal of Solid StateChemistry, 2013, 200: 341-348.
12. [12] Latella, B.A.,Perera, D.S., Durce D., Mehrtens E.G., Davis J., “Mechanicalproperties of metakaolin-basedgeopolymerswithmolarratios of Si/Al ≈ 2 andNa/Al ≈ 1”, Journal of MaterialsScience, 2008, 43(8): 2693–2699.
13. [13] Yonar Y. “Geopolimer çimentolu ve polivinil alkol fiberli betonların yüksek sıcaklık dayanıklılığı”, Master thesis, Fırat University Institute of Science, Elazığ, 2014.
14. [14] Sarkar M., Dana K., “Partialreplacement of metakaolinwithredceramicwaste in geopolymer”, Ceramics International, 2021, 47(3): 3473-3483.
15. [15] Reig L.,Soriano L., Borrachero M.V., Monzo J., Paya J., “Influence of theactivatorconcentrationandcalciumhydroxideaddition on thepropertes of alkali-activatedporcelainstoneware”, Construction andBuildingMaterials, 2014, 68: 214-222.
16. [16] Kulkarni S. “Experimentalstudy on redmud, flyash, GGBFS based geopolymer concrete”,International Journal of EngineeringResearchTechnology, 2018, 17(12): 107-111.
17. [17] Mucsi G., Szabo R., Racz A.,, Kristaly F., Kumar S., “ Combinedutilization of redmudandmechanicallyactivatedflyash in geopolymers”, TheMiningGeological- PetroleumEngineeringBulletin, 2019,34(1): 27-36.
18. [18] Torres-Carrasco M.,Puertas F., “Wasteglass in the geopolymer preparation. Mechanicalandmicrostructuralcharacterisation”. Journal of CleanerProduction, 2015, 90: 397–408.
19. [19] Huseien G.F., Sam A.R.M., Shah K.W., Mirza J., Tahir M.M., “Evaluation of alkali-activatedmortarscontaininghighvolumewasteceramicpowderandflyashreplacing GBFS”. Construction andBuildingMaterials, 2019, 210: 78-92.
20. [20] Huseien G.F., Sam A.R.M., Shah K.W., Mirza J., “Effects of ceramictilepowderwaste on properties of self-compacted alkali-activatedconcrete”,Construction andBuilding Materials,2020, 236: 117574.
21. [21] Rashad A.M.,Essa G.M.F., “Effect of ceramicwastepowder on alkali-activatedslagpastescured in hot weatherafterexposuretoelevatedtemperature”, CementandConcreteComposites, 2020, 111: 103617.
22. [22] Keppert M.,Vejmelková E., Bezdicka P., Dolezelová M., Cáchová M., Scheinherrová L., Pokorny J., Vyšvar il M.,, Rovnaníková P., Cerny R., “ Red-clayceramicpowders as geopolymer precursors: Consideration of amorphousportionandCaOcontent”, AppliedClayScience, 2018, 161: 82–89.
23. [23] Reig L.,Tashima M.M.,, Soriano L., Borrachero M.V., Monzo J..M., Paya J.J., “Alkaline activation of ceramicwastematerials” WasteBiomassValorization, 2013, 4: 729-736.
24. [24] Reig L, Soriano L.,Tashima M.M., Borachero M.V., Monzo J., Paya J., “Influence of calciumadditions on thecompressivestrengthandmicrostructure of alkali-activatedceramicsanitary-ware”. Journal of AmericanCeramicSociety, 2018, 101: 3094-3104.
25. [25] Atabey İ.İ., Bayer Ozturk Z., “Seramik Sağlık Gereci Atıklarının Geopolimer Harç Üretiminde Kullanılabilirliğinin Araştırılması”, Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi, 2021, 13(1): 212-219.
26. [26] Bayer Ozturk Z., Can A., Yarımçam D., “Toprak Alkali Kaynağı Hammaddelerin Vitrifiye Sırlarında Ergimeye Olan Etkisinin İncelenmesi”, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 2021, 8(1): 195-201.
27. [27] Kunduracı N., Tarhan B., Sarısakal C., “Seramik sağlık gereçleri üretiminde piroplastik deformasyon azaltılmasına bağlı olarak geliştirilen kompozisyonların üretim maliyeti açısından değerlendirilmesi”, Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi,2019, 11(2): 474-480.
28. [28] Acıkbas G.,Gocmez H., “ Polyester MatrisliKompozit Özeliklerine Vitrifiye Seramik Sağlık Gereci Atık Miktarının Etkisi”, Akademik Platform Journal of EngineeringScience, 2013, 5(3): 137-145.
29. [29] Medina C.,Frias M., Sanchez de Rojas M.I., “Microstructureandproperties of recycledconcretesusingceramic sanitaryware industrywaste as coarseaggregate”, Construction andBuildingMaterials, 2012, 31: 112-118.
30. [30] Deb P.S.,Nath P., Sarker P.K., “The effects of ground granulated blast-furnace slag blending with fly ash and activator content on the workability and strength properties of geopolymer conctrete cured at ambient temperature”, Materials Design, 2014, 62: 32-39.
31. [31] Yurt U., Emiroğlu M., “Zeolit İkameli Geopolimer Betonlarda Kür Şartlarının Etkileri”, Akademik Platform Journal Engineering Science, 2020,8(2): 396-402.
32. [32] Kaya M., Uysal M., Yılmaz K., “Jeopolimer harçlarda dayanım, kür sıcaklığı ve boşluk oranı ilişkisinin varyans analizi ile incelenmesi”, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2018, 22(2): 248-256.
33. [33] TS EN 1097-6, Agregaların mekanik ve fiziksel özellikleri için deneyler - Bölüm 6: Tane yoğunluğunun ve su emme oranının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2013.
34. [34] TS EN 1008, Beton-Karma suyu-Numune alma, deneyler ve beton endüstrisindeki işlemlerden geri kazanılan su dahil, suyun, beton karma suyu olarak uygunluğunun tayini kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2003.
35. [35] TS EN 1015-3/A1, Kagir harcı- Deney metotları- Bölüm 3: Taze harç kıvamının tayini (yayılma tablası ile), Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2006.
36. [36] TS EN 1015-11/A1, Kâgir Harcı-Deney Metotları-Bölüm 11: Sertleşmiş Harcın Basınç ve Eğilme Dayanımının Tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2013.
37. [37] Erdoğan, T. Y. Beton (4. bs.) [Concrete (4th ed.)]. METU Publishing, 2013, Ankara, 757p
38. [38] Chen, X.,Niu, Z., Wang, J., Zhu, G. R.,Zhou, M., “Effect of sodium polyacrylate on mechanical properties and microstructure of metakaolin-based geopolymer with different SiO2/Al2O3ratio.”Ceramics International, 2018, 44(15): 18173-18180.
39. [39] Ross A. Fletcher, Kenneth J.D. MacKenzie, Catherine L. Nicholson, et al.,“Thecompositionrange of aluminosilicate geopolymers,”, Journal of theEuropeanCeramicSociety 2005, 25 1471–1477
40. [40] De Jong B., Brown Jr G.E., “Polymerization of silicateandaluminatetetrahedrain glasses, melts, andaqueoussolutions—I. Electronic structure of H6Si2O7,H6AlSiO71-, and H6Al2O72-, Geochim. Cosmochim. Acta, 1980, 44 (3): 491–511.
41. [41] Duxson P.,Drovis J.L., Lukey G.C., Mallicoat S.W., Kriwen W.M., Van Deventer S.J.V, “Understanding the relationship between geopolymer composition, microstructure and mechanical properties”, ColloidsandSurfaces A: PhysicochemicalandEngineeringAspects 2005, 269 (1–3): 47–58.
42. [42] Si R.,Guo S., Dai Q., Wang J. “Atomic-structure, microstructureandmechanicalproperties of glasspowdermodifiedmetakaolin-based geopolymer”, Construction andBuildingMaterials, 2020, 254: 119303.
43. [43] Çelikten, S.,& Atabey, İ. İ. Su içeriği ve ısıl kür süresinin atık bazalt tozu esaslı geopolimer harçların fiziksel ve mekanik özelliklerine etkisi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 2021, 10(1): 328-332.
44. [43] N. Marjanovic´ , M. Komljenovic´ , Z. Bašcˇarevic´ , V. Nikolic´ , R. Petrovic´ , “Physical– mechanical and microstructural properties of alkali-activated flyash–blast furnace slag blends”, Ceramics International, 2015, 41 (1): 1421–1435
45. [45] Alkali ActivatedMaterials,State-of-the-Art Report RILEM TC 224-AAM, In: Ј.L.Provis, J.S.J. vanDeventer (Eds.), Springer, Dordrecht, Heidelberg, New York, London, 2014.